国际南极冰盖与海平面变化研究述评

海平面上升是全球变暖的主要后果之一。尽管有少数冰川学家认为,气候变暖并不能确保雪积累量的显著增加,同时可能出现冰流的突然变化,因此南极冰盖在未来海平面变化中的作用存在很大的不确定性。但近几十年来南极半岛气温的急剧上升,已使大量的冰架崩解。冰架崩解并不对海平面产生真正的影响,但反映出南极洲气候与冰川存在急剧变化的可能。     

末次盛冰期气候模拟及青藏高原冰盖的可能影响

在国际古气候模拟比较计划设定的边界条件下(其中包括:海洋表面温度、陆地冰盖、CO2浓度、地球轨道参数等变化),本文汇报了利用中国科学院大气物理研究所的9层全球大气环流格点模式对末次盛冰期气候进行数值模拟的研究成果。结果表明:末次盛冰期全球年平均温度比现在低5.3℃,降雨量下降9%,其中大陆年平均降水量仅为目前的71%。通过与其他模式模拟结果和重建古气候资料的对比表明,该模式捕捉到了末次盛冰期干、冷的冰期气候特征。在此基础上,我们根据刘东生等的科研成果,初步探讨了青藏高原在末次盛冰期倘若存在一定范围的冰盖,那么该冰盖会对东亚区域古气候模拟结果产生怎样的冲击。     

南极冰盖GLIMMER模式移动边界试验研究

利用欧洲冰盖比较计划(EISMINT)的移动边界条件EISMINT-1测试集,通过三维有限差分南极冰盖GLIMMER模式,采用浅冰近似计算了一个定义在方形冰盖积分区域的流场特征量,研究了冰盖在大尺度长时间序列条件下对气候变化的反馈,考察了稳定态下冰盖演化的周期性行为.试验表明:GLIMMER模式在EISMINT-1移动边界条件下可以模拟出气候强迫下的冰盖演化趋势,在长时间尺度上可以刻画出气候变化的反馈机制.同时,对南极冰盖数值模拟面临的问题、GLIMMER模式以及EISMINT冰盖比较计划的内容和框架做了说明,对EISMINT比较计划目前的发展状况和遇到的问题做了分析,并且对GLIMMER模式下一步的研究方向做了一些探讨.     

冰期指数法模拟北半球冰盖演化的不确定性研究

IPCC第六次评估报告（AR6）显示,自20世纪起极地冰盖持续消融,全球海平面不断上升。目前对于地球冰盖未来的预测以及过去的演变历史尚不明确,而数值模拟能够提供一种有效的解决方案。在冰盖模拟研究中,冰期指数法可依据古气候代用指标将离散的气候强迫转化为连续的气候强迫,用于冰盖演变的瞬态模拟。基于该方法,利用2组（共6条）分别代表全球海平面和温度变化的代用指标,开展末次冰期旋回北半球冰盖的时空演变模拟研究,结果表明：(1)模拟的冰量演变特征受指数的变化趋势控制;(2)在指数变化特征（轨迹和变幅）相似时,千年尺度气候突变事件的存在会导致模拟的总冰量偏少;(3)在同一气候强迫下,不同指数模拟的最大冰盖范围受夏季0℃等温线的约束,同时指数的演变轨迹与变幅也会影响末次冰期盛冰期冰盖模拟的空间分布。因此,在利用冰期指数法开展冰盖瞬态模拟研究时,需根据关注的研究区域选取有代表性的指数并考虑古气候代用指标（即冰期指数）的不确定性对模拟结果的影响。     

冰盖下水流紊动特性试验研究

河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明：完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。     

冰盖下冰花浓度分布的数值模拟

封冻河道内的冰花分布规律对冰期水文及环境分析有着重要的意义. 视冰花为连续介质, 基于多相流理论和欧拉-欧拉模型方法, 建立了河渠垂向二维标准k-ε紊流数值模型. 在不同的水流流速、 冰花颗粒尺寸、 上游来冰量条件下, 对冰盖下冰花浓度场进行了模拟分析, 得到了冰盖下冰花分布特征. 结果表明: 水流流速越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大, 冰花浓度沿垂向的均匀性越大, 同时浓度最大值越小; 冰花颗粒尺寸越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大; 上游来冰量越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 在同一水深其浓度值也越大, 冰花浓度沿垂向分布的均匀性越大.     

东南极冰盖/冰架变化监测与预测技术研究

南北极是研究全球变化的关键区域。＂十一五＂期间我国在南极地区系统开展了东南极冰盖/冰架变化监测与预测技术研究,对认识全球气候变化具有重要作用。通过项目实施,建立和发展了一批现场观测体系,发展了冰盖观测新技术并集成应用于东南极冰盖的综合观测,拓展了对冰穹A地区的新认识和新发现;在冰穹A边缘地区钻取的一支浅冰芯恢复了过去约780年的气候记录,记录了东南极地区存在小冰期的明显证据;发展了东南极冰盖积累和等时年层流动模型,研究在冰盖浅层、中层和深部的变化特征,反演了冰穹A地区的古积累率分布。本文概要介绍该项目基本情况。     

1961—2017年南极冰盖近地面风时空变化研究

基于19个人工气象站1961—2017年风速风向实测数据对南极冰盖近地面风速时空变化和风向进行了分析。结果表明：近50年来,南极冰盖近地面各季节平均风速和年平均风速变化的空间模式基本一致。东南极0°~120° E沿海地区风速呈显著上升趋势;南极半岛气象站风速变化趋势各异,且变化速率相差甚大,但从区域平均结果来看,南极半岛年和季节平均风速均呈上升趋势。这与近几十来局地气温、气压变化及南半球环状模趋向于正位相发展有关。东南极受下降风和绕极东风影响,大部分地区盛行偏南风或偏东风,且频率较高风向稳定;而受天气活动影响,南极半岛风向复杂,主风向频率低,风向多变。     

冰盖下水流速度分布的二维数值模拟分析

基于标准的κ-ε模型,利用有限体积法,对冰盖下水流速度分布进行了二维数值模拟和分析.结果表明:当冰盖和河床糙率比值变化时,水流速度剖面发生变化;冰盖下的最大流速值比速度对称分布时要大,且偏于光滑的一边;在相对光滑壁处近壁流速值大于相应对称分布时的流速值,该结果与实验室实测速度剖面情况吻合.数值试验表明,最大流速点位置的偏移量仅在有限的范围内,冰盖区、床面区及冰盖下水流平均速度相差较小,表明了工程应用中假定各区流速相等是可行的.     

过去60年来南极冰盖近地面气温时空变化研究

如何将十分有限的器测资料和再分析资料有机联系起来,充分借助它们各自的优势,分析南极冰盖气温时空变化具有重要意义。以CFSR（the Climate Forecast System Reanalysis）、ERA5（the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Fifth-generation Reanalysis）和MERRA-2（the Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications,version 2）再分析资料分别作为背景场,利用南极冰盖具有超过50年连续观测的站点气温观测资料,分别重建了1960~2019年冰盖近地面月气温时空数据集,借助于未参与重建的70个站点观测资料进行了验证分析。在此基础上,利用精度最高的重建数据集探讨了冰盖过去60年来气温时空变化特征。精度验证结果表明：基于ERA5重建的月气温数据集精度最高,相关系数为0.70,均方根误差为0.49℃。1960~2019年,南极半岛和西南极冰盖呈现显著增温趋势,而且显著变暖延伸到60°~180°E的东南极内陆大部分区域。全球变暖停滞事件在南极半岛和西南极冰盖发生,且增温减缓程度更明显：1999~2019年间年和春季平均气温均呈明显降低趋势。1960~1998年,整个东南极冰盖气温没有显著变化,但是1999~2019年东南极冰盖内陆较大区域呈现了显著变暖趋势。这些结果有助于增进对不同时间尺度南极冰盖气温变化区域差异性的理解。

     

丰满水库水温的原型观测及分析

为探究寒区冰封水库热状况的时空演变规律,于2010年6月~2011年8月对丰满水库的水温和冰情进行了原型观测。基于现场观测资料,阐述了丰满库区不同季节热结构的变化规律,重点分析了汛期洪水过程对分层结构的影响,并发现解冻初期水库表层浮力流动现象。同时,典型水温分层期1月和6月的坝前75~800m范围4条水温观测垂线基本一致,且同期电站下泄水温与坝前取水口对应高程平均水温差异较小,说明该水域范围内无三维水温效应。由于深层取水影响,丰满电站下泄水温过程较为稳定,但与坝址天然水温相比,5~7月、10~12月分别表现出月平均高达10.8℃、7.9℃的春夏低温水和秋冬高温水现象。此外,冰情监测结果表明,丰满水库冬季基本全库封冻,坝前最大冰厚约0.7m,且库区冰厚沿程出现不均匀分布的规律。     

新疆阿尔泰山喀纳斯湖冰层温度变化规律试验研究

2014年12月-2015年4月期间,新疆布尔津县喀纳斯湖举行了冰上旅游项目。为监测冰层生长、发育和融化状况,分别对喀纳斯湖（湖边、湖中）A、B、C三点进行温度监测,利用监测得到的冰层温度数据绘制湖冰从上到下温度分布状况图。根据湖边与湖中的冰层结构特点,从冰层的天然结构角度分析湖冰结构对温度分布的影响。结果表明：天然冰层中温度传递系数并不是一致不变的,既受冰上气温、冰下湖水温度的影响,也受到冰层自身结构状况的影响,并进一步阐述了湖面冰层的温度分布规律与变化成因,为分析温度对冰层强度的影响奠定了基础。     

Natural ring structures on the Baikal ice cover: Analysis of experimental data and mathematical modeling

Hydrophysical studies and mathematical modeling of ring structures during ice cover on Lake Baikal have shown that their existence at the stage of ice cover degradation is due to anticyclonic currents. Such currents can be generated as a result of local upwelling, which we associate with the rise of methane hydrates from the top layer of bottom sediments and their dissociation. Analysis of satellite images shows that the radii of ice rings range from 1300 to 2400 m, which is close to the baroclinic Rossby radius. The measured ice thicknesses in the area of the rings are in agreement with model calculations. Deep water renewal in Lake Baikal can also be associated with the rise of hydrates.     

草皮护坡水力糙率实验研究

生态护岸工程可以在保护河岸的同时对河道生态系统起到良好的维护作用,其中草本植物因其生长快、易存活成为生态护岸的重要工程材料。草皮护坡糙率实验对36组草皮试件的糙率进行了系统的实验研究。研究表明,草皮糙率的大致范围为0.020~0.090,主要与土壤类型、肥沃程度、水流条件等有关。通过实验数据分析发现:草皮糙率随生长期而增加;加筋草皮(基土中设置三维加筋材料的草皮)的糙率普遍大于天然草皮糙率。     

南水北调中线输水工程若干冰力学问题试验研究

通过在低温冰工程实验室进行的冰力学模型试验,研究了南水北调中线工程冰期输水中的若干冰力学问题,主要包括:冰的膨胀力、冰盖稳定性和浮冰对闸墩的撞击力.试验结果给出了冰的膨胀力变化典型时程曲线、不同厚度冰盖的膨胀力极值变化;不同厚度的冰盖随水位下降的最大塌落值;以及冰排对闸墩的撞击力的冰力时程曲线、冰力极值随冰速的变化曲线.这些试验成果可为南水北调中线工程冰期输水安全运行提供参考.     

冻结过程中单孔冰结晶变形机制研究

孔隙水在冻结过程中产生的冰结晶压力导致了多孔材料的冻胀及破坏。本文通过理论分析分别给出了不同形状晶体的结晶压力计算模型,并分析了经典结晶压力计算公式的使用条件。建立了降温过程中孔隙冰晶生长模型,实现冰晶生长过程中的孔隙变形计算,分析了晶核密度、孔径大小、荷载和冰晶体积对孔隙冻胀变形的影响机制。结果表明：起始孔隙直径和长宽比的增大对结晶变形抑制作用的机理在于减少了冰晶体积中膨胀结晶的比例。荷载对孔隙变形的抑制机制在于,荷载的增大迫使冰晶更多地横向生长（长宽比增大）,导致膨胀结晶所占比例减小。孔隙中的晶体生长有完全填充模式和部分填充模式,在部分填充模式下,晶核密度、荷载和孔径的增大都会导致晶体在孔隙中的填充率增大,从而对孔隙结晶变形产生影响。本模型揭示了单个孔隙中冻胀变形机制,为解决多孔介质的冻胀变形与破坏问题提供了新的思路。     

环渤海海冰弯曲强度的试验测试及特性分析

在渤海冰区油气开发中,海冰物理力学性质对海洋结构设计、海冰动力学过程均有重要影响.目前,随着渤海冰区锥体海洋平台的增加,对海冰弯曲强度的研究具有重要意义.对环渤海沿岸9个测点的海冰弯曲强度进行了现场和室内测试,同时对影响海冰弯曲强度的海冰盐度、温度进行了测试;分析了莱州湾、辽东湾西岸和辽东湾东岸等不同测点海冰弯曲强度的...     

Experimental soft‐sediment deformation caused by fluidization and intrusive ice melt in sand

Identifying the driving mechanisms of soft‐sediment deformation in the geological record is the subject of debate. Thawing of ice‐rich clayey silt above permafrost was proved experimentally to be among the processes capable of triggering deformation. However, previous work has failed so far to reproduce similar structures in sand. This study investigates fluidization and intrusive ice formation from soil models in the laboratory. Experimental conditions reproduce the growth of ice‐cored mounds caused by pore water pressure increase during freeze‐back of sand in a permafrost context. Excess pore water pressure causes hydraulic fracturing and the development of water lenses beneath the freezing front. Later freezing of the water lenses generates intrusive ice. The main structures consist of sand dykes and sills formed when the increase in pore water pressure exceeds a critical threshold, and soft‐sediment deformations induced by subsidence during ice melt. The combination of processes has resulted in diapir‐like structures. The experimental structures are similar to those described in Pleistocene sites from France. These processes constitute a credible alternative to the seismic hypothesis evoked to explain soft‐sediment deformation structures in other European regions subjected to Pleistocene cold climates.     

瞬态传热下冰的热力学过程及相变特性

冰水介质间的热传递过程广泛存在于海冰与冰川的生消演化中。对冰水间传热过程的研究有助于理解冰脊固结与冰川融化过程的内在机理。分别采用浸没试验与基于有限差分法的数值模型对热传递过程进行研究,并通过量纲分析对测试结果进行深入讨论。试验过程中分别采用不同初始温度与初始厚度的试样,并测试冰温与冰厚的变化情况。试验数据显示,在瞬态热传导过程中冰内存在明显的温度梯度,且在试验初期呈非线性分布而在中后期呈准线性分布。试样的平均温度表现出试验初期的快速升高与中后期的缓慢提升两个阶段。当试样具有较低初始温度或较高的厚度时需要更长的时间达到环境温度。冰厚的变化也同样出现快速增长与缓慢提升的两个阶段。当试样初始冰温较低或初始厚度较大时,冰厚增长量显著提高。分析结果表明,影响冰温变化的决定因素是由Fourier所表示的导热与内能之间的比值而非初始条件。冰厚的最终增长率则由表示相变的Stefan数与表示热对流的Biot数两者之间差值所决定。     

猫跳河流域土地覆被变化及其驱动力定量研究

应用RS、GIS以及GPS集成技术,以黔中喀斯特地区的猫跳河流域为对象,研究了这一地区从1973—2002年间土地利用／覆被的变化过程,并利用典型相关分析法研究了形成这种变化的驱动因素。研究表明,从1973—1990年,猫跳河流域耕地、建设用地、有林地、水域以及裸岩地呈增长趋势,而灌木林和灌草地趋于减少,流域生态环境质量下降。进入20世纪90年代后,有林地、灌草地、建设用地、水域持续增加,灌草地总量变化不大,耕地总量和裸岩地减少,流域生态环境质量趋于好转。定量分析表明,1990年以前,驱动建设用地变化的因素是总人口的变化,1990年以后则是农业产值;1990年以前驱动耕地变化的是农业人口的增长,1990年以后则和粮食产量的提高有关。